故事设定在1884年的英国。16岁生日即将到来之际，伊诺拉（米莉·博比·布朗 Millie Bobby Brown 饰）却突然失去了母亲（海伦娜·伯翰·卡特 Helena Bonham Carter 饰）的消息。母亲失踪后，声名远扬的名侦探夏洛克·福尔摩斯（亨利·卡维尔 Henry Cavill 饰）和麦考夫（山姆·克拉弗林 Sam Claflin 饰）成为她的监护人。
面对这个聪明古怪、难以管束的妹妹，两人决定把她送进专门培养“淑女”的寄宿学校。然而伊诺拉并不打算任由兄长安排自己的人生，于是毅然离家，独自前往伦敦追查母亲的下落。途中，她意外卷入一桩神秘案件，并凭借自己的智慧踏上侦探之路，同时还要与哥哥展开一场斗智斗勇的较量。
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